呂立爽， 朱玉景， 朱洪亮

(濮陽市蹤水科力石油技術(shù)服務(wù)有限公司， 河南 濮陽 457001)

在靜態(tài)資料和動(dòng)態(tài)關(guān)系難以確定注水來源、評(píng)價(jià)驅(qū)油效果，或者是目前所掌握的資料之間相互印證性差的區(qū)域，油田期望選擇示蹤劑監(jiān)測(cè)來解決以上問題[1-12]。當(dāng)工程師拿到經(jīng)過嚴(yán)格的示蹤劑施工的監(jiān)測(cè)結(jié)果后，還是不能將示蹤劑監(jiān)測(cè)結(jié)果作為首要的資料，力排眾議地作為注水來源等證據(jù)讓工程師信服，不但沒有解決問題，而往往又增加了爭(zhēng)論。部分原因是目前的示蹤劑為化學(xué)示蹤劑、放射性示蹤劑、微量物質(zhì)示蹤劑、熒光示蹤劑、氣體示蹤劑[1-12]，它們都是水溶性示蹤劑，或者呈氣體狀態(tài)，不具有肉眼可見性。為了眼見為實(shí)，前人就想研發(fā)一種顆粒示蹤劑用于解決上述問題，由于顆粒具有沉降作用[13]，目前通常作為堵劑[14],而不是作為示蹤劑。在油田顆粒示蹤劑監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面僅用于監(jiān)測(cè)井筒中儀器是否工作正常領(lǐng)域和單井壓裂是否壓開儲(chǔ)層[15-16]?；谝陨显颍诘V場(chǎng)中作為示蹤劑屬性的應(yīng)用，目前僅處在實(shí)驗(yàn)研究模擬階段[17-20]。在經(jīng)過多年的研究，開發(fā)了一種新型的微顆粒示蹤劑，并在致密油藏中成功進(jìn)行礦場(chǎng)應(yīng)用，標(biāo)志著從實(shí)驗(yàn)成功走向了礦場(chǎng)。

1 理論基礎(chǔ)[21]

在固體-液體混合體系中，重力、水動(dòng)力、布朗擴(kuò)散力、排斥力、范德華力、波恩短程斥力等力控制了微顆粒示蹤劑的沉積、分散、運(yùn)移。微顆粒進(jìn)入儲(chǔ)層后主要有三種運(yùn)移模式，即堵塞、通過、沉降三種。對(duì)于顆粒以哪種模式運(yùn)移的解釋有兩種，一種是以Sahimi為代表的確定性的方法，另外一種是以Todd與Rege為代表的顆粒沉降概率模型法。

Sahimi假定：微觀上看，微顆粒進(jìn)入儲(chǔ)層后，就像進(jìn)入了一個(gè)毛細(xì)管，若是計(jì)算的運(yùn)移距離大于該毛細(xì)管長(zhǎng)度，則微顆粒通過該毛細(xì)管而進(jìn)入下一個(gè)毛細(xì)管。為此Sahimi根據(jù)微顆粒在孔隙內(nèi)受到的各種力(包括水動(dòng)力、重力及Landon力等)建立了以下微顆粒運(yùn)動(dòng)的軌跡方程:

式中，y=R-r，R為毛細(xì)管半徑，r為坐標(biāo)半徑；N0,Ng1,Ng2及NDL為與因群；G1,G2及G3是流函數(shù)。

毛細(xì)管為圓柱體，若儲(chǔ)層中毛細(xì)管半徑是變化的，那么以上軌跡方程不再是一個(gè)解析式。當(dāng)然也可以無限的劈分毛細(xì)管，直到呈現(xiàn)圓柱體后再計(jì)算。從理論上講，該方法是可求解的，但計(jì)算量將是非常驚人的。

Todd與Rege提出的概率模型算法指出，如果顆粒在大于其半徑的毛細(xì)管內(nèi)運(yùn)移，則以下算式成立:

p=4[(θa/R0)2-(θa/R0)3]+(θa/R0)4

(1)

式中，a為顆粒半徑，R0為毛細(xì)管半徑；θ為參數(shù)。

如圖1所示，θ是微顆粒在儲(chǔ)層中多個(gè)力作用的結(jié)果，用一個(gè)參數(shù)θ集中表示，θ越小則微顆粒越容易運(yùn)移通過。然而影響微顆粒沉降因素非常復(fù)雜，通常情況下有流體的速度、離子的強(qiáng)度、pH值及流體性質(zhì)等，為此，Rege進(jìn)一步提出了如下關(guān)系式:

θ=θ0exp(-v/v0)

(2)

式中，θ0為依賴于離子強(qiáng)度的參數(shù)；v是毛細(xì)管內(nèi)流體平均速度；v0為臨界速度。

除流速控制外，θ還要受到v0與θ0的影響。v0可以由實(shí)驗(yàn)得出，也可以根據(jù)Spielman等的方法計(jì)算。當(dāng)流速非常低的情況下，v/v0≈0，此時(shí)可忽略流速的影響，即exp(-v/v0)=1,θ≈θ0。而當(dāng)流速較高時(shí)，流速增加導(dǎo)致了θ的減小，顆粒易運(yùn)移。

圖1 顆粒沉降率、運(yùn)移率示意圖

2 微顆粒示蹤劑的基本特點(diǎn)

該微顆粒示蹤劑為微米級(jí)的固態(tài)熒光物質(zhì)，具有大小不同的粒徑，不同品種的微顆粒具有不同的粒徑范圍，不溶于弱酸弱堿，密度接近1.0 g/cm3，抗干擾性強(qiáng)，成本低。選擇一種微顆粒，制備成10ppm(10-6)、1ppm濃度的樣品進(jìn)行極限檢測(cè)試驗(yàn)(圖2)，用1ppm樣品進(jìn)行抗干擾性試驗(yàn)。

圖2 (a)為濃度為10ppm，10倍目鏡顯微鏡觀察結(jié)果； (b)為濃度為1ppm，40倍目鏡顯微鏡觀察結(jié)果

2.1 極限檢測(cè)試驗(yàn)

用高倍顯微鏡進(jìn)行不同濃度條件下微顆粒示蹤劑檢測(cè)，10 ppm濃度的樣品中，低倍數(shù)下就能看見大量微顆粒分散相示蹤劑，微顆粒呈分散狀態(tài)，部分微顆粒存在顆粒間的重疊[圖2(a)]，隨著濃度逐漸減小到1 ppm，鏡下發(fā)現(xiàn)的顆粒數(shù)量減小，由于顯微鏡放大倍數(shù)增大，在鏡下發(fā)現(xiàn)微顆粒圖像變得清晰[圖2(b)]。濃度越大，鑒定出的顆粒數(shù)量越多，濃度越小，鑒定出的顆粒數(shù)量越少。檢測(cè)極限主要與采用顯微鏡的性能及濃度有關(guān)。

2.2 抗干擾性試驗(yàn)

高濃度條件下，抗干擾性較強(qiáng)。低濃度條件下，抗干擾性相對(duì)弱。抗干擾性試驗(yàn)主要是檢測(cè)抗其他類型示蹤劑的干擾及檢測(cè)在油田水條件下的適用性。為此選擇在1 ppm條件下，選用添加三種示蹤劑(硝酸銨、硫氰酸銨、溴化鈉工業(yè)尿素)和油田地層水，并在95 ℃條件下(模擬地層溫度)放置1個(gè)月后測(cè)試微顆粒物質(zhì)，主要監(jiān)測(cè)該微顆粒在以上條件下，微顆粒形態(tài)是否發(fā)生改變，是否存在檢測(cè)精度下降的情況。經(jīng)過檢測(cè)，微顆粒在以上添加物的液體中，并無產(chǎn)生改變，并未被硝酸銨、硫氰酸銨、溴化鈉工業(yè)尿素、油田地層水所干擾(表1)。

表1 微顆粒示蹤劑抗干擾性試驗(yàn)

2.3 熱穩(wěn)定性試驗(yàn)

示蹤劑適應(yīng)油田開發(fā)中的應(yīng)用中，最為重要的指標(biāo)為熱穩(wěn)定性試驗(yàn)，也就是微顆粒示蹤劑要在地層溫度條件下不發(fā)生改變。對(duì)樣品進(jìn)行熱重試驗(yàn)(圖3)，溫度低于225 ℃時(shí)，微顆粒的質(zhì)量變化-0.04%(減少了0.04%)，重量幾乎未發(fā)生變化；當(dāng)溫度為338.7 ℃時(shí)，質(zhì)量變化率開始增大，在364.5 ℃時(shí)，質(zhì)量變化了-67.1%，質(zhì)量主要是在338.7～364.5 ℃區(qū)間喪失。表明該類型的微顆粒適用于溫度低于225 ℃的環(huán)境。目前中國(guó)的油氣田開采深度較大的給塔河油田5 450 m油藏溫度為125 ℃[5]，微顆粒示蹤劑適應(yīng)溫度遠(yuǎn)高于油藏溫度。

圖3 微顆粒熱重實(shí)驗(yàn)

3 在特低滲油藏中的應(yīng)用

3.1 地質(zhì)概況

監(jiān)測(cè)井S50-9位于長(zhǎng)慶油田，層位為長(zhǎng)4+5，井段1 784～1 862 m，日注水30 m3，累計(jì)注水3 350 m3，平均孔隙度為9.43%，平均滲透率0.60×10-3μm，平均含油飽和度42.6%，監(jiān)測(cè)井為周圍的8口油井(圖4)。表2測(cè)試儲(chǔ)層壓汞參數(shù)顯示，該區(qū)為致密油藏儲(chǔ)層，最大孔喉半徑為2.875 1 μm。監(jiān)測(cè)油井S52-10井投產(chǎn)1個(gè)月后，含水從26%上升到99.2%，S48-8井含水達(dá)91%。其他監(jiān)測(cè)井的含水低于50%。

3.2 示蹤劑注入

長(zhǎng)慶姬源油田每年產(chǎn)2 000多噸污泥[22]，說明顆粒類物質(zhì)可以從致密油藏儲(chǔ)層中運(yùn)移到油井井筒。示蹤劑注入之前采樣進(jìn)行背景化驗(yàn)，檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)樣中含有干擾微顆粒示蹤劑監(jiān)測(cè)的物質(zhì)。根據(jù)該井組的井距、儲(chǔ)層物性參數(shù)，調(diào)研了長(zhǎng)慶油田的微觀孔喉特征[23]、工區(qū)的壓汞測(cè)試數(shù)據(jù)(表2)及示蹤劑配伍性，注入一種粒徑范圍在1.10～10.24 μm的微顆粒示蹤劑，配置成濃度為0.35%的5.3 m3溶液，利用泵車注入S50-9井。

表2 測(cè)試工區(qū)儲(chǔ)層參數(shù)

3.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

經(jīng)過監(jiān)測(cè)，S50-9井組在S52-10、S48-8共兩口油井監(jiān)測(cè)到微顆粒示蹤劑，其余井未監(jiān)測(cè)到微顆粒示蹤劑。其中S52-10井示蹤劑突破速度最快，微顆粒達(dá)到27顆，S48-8井示蹤劑突破速度較慢，監(jiān)測(cè)到微顆粒數(shù)量為2顆(圖4、表3)。從示蹤劑推進(jìn)速度和示蹤劑監(jiān)測(cè)數(shù)量看，S50-9井注水主要流向了S52-10、S48-8井，是主要受效井，說明該方位是裂縫發(fā)育方位，三口井之間的距離為裂縫展布的范圍，該監(jiān)測(cè)結(jié)果與油井日產(chǎn)油、日產(chǎn)水相互印證。

表3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖4 監(jiān)測(cè)井組井位圖及監(jiān)測(cè)響應(yīng)圖

4 結(jié)論

1)在長(zhǎng)慶油田致密油藏儲(chǔ)層中，微顆粒示蹤劑成功實(shí)施監(jiān)測(cè)，這樣的監(jiān)測(cè)案例超出了筆者的想象，該結(jié)果也讓人振奮，說明該項(xiàng)技術(shù)成功從實(shí)驗(yàn)走向了礦場(chǎng)。

2)致密油藏中孔喉小，注入的微顆粒示蹤劑的粒徑明顯大于致密油藏中儲(chǔ)層的孔喉，在監(jiān)測(cè)的油井中能成功的監(jiān)測(cè)到微顆粒示蹤劑，說明儲(chǔ)層中存在一種大孔喉(或者大開度)的通道，使得微顆粒示蹤劑能在其中通過。這個(gè)通道不可能是致密儲(chǔ)層的大孔喉，也不可能是注水侵蝕形成的大孔道(注水時(shí)間短及累計(jì)注水量低)，只可能是發(fā)育的天然裂縫或者是壓裂的人工裂縫。

3)S50-9井示蹤劑突破速度快，在第2.5天已經(jīng)突破，在致密油藏中示蹤劑如此快的突破速度，是筆者未料到的，也表明了在致密油藏中裂縫發(fā)育情況對(duì)注水開發(fā)的影響很大。但在致密油藏中，微顆粒示蹤劑突破速度如此之快的原因和機(jī)理，需要進(jìn)一步的研究。